焦碳塔裙座柔性结构部位对接焊缝强度及稳定性校核

1、焦碳塔裙座柔性结构部位对接焊缝强度及稳定性校核镇海炼油化工股份有限公司机动处 梁利君摘要：焦碳塔因热疲劳作用，其底封头与裙座的对接焊缝经一段时间运行通常会出现裂纹问题，经调查，新型设计中已有企业开始考虑采用多缺口裙座柔性结构形式，但鉴于新设计未见有关标准规定，本文特别在指出高温设备裙座设计验算式如按JB4710-92设计则需进行修正观点的基础上，来提出焦碳塔多缺口裙座柔性结构对接焊缝强度及稳定性校核修正公式，并通过举例验算，讨论性提出预防焦碳塔裙座开裂的思路。关键词：焦碳塔裙座 柔性结构 对接焊缝强度 稳定性校核 防开裂思路1 引言焦碳塔是炼油延迟焦化装置的关键设备之一，由于操作工艺的要求，通

2、常焦碳塔一个生产周期（约48小时）需经历高温到常温的热循环过程。因热疲劳的作用，焦碳塔经过一段时间的运行普遍会出现如塔体鼓凸变形、裙座与筒体焊缝产生裂纹等问题。如何预防裂纹的产生或扩展，往往是企业和科研单位热门研究问题之一，近来人们通过对焦碳塔热损伤问题的处置，已把目光转向柔性裙座结构形式，经调查，现设计中已有企业开始考虑采用多缺口裙座柔性结构。因改进型设计鉴于未见有关规定，作者通过对问题的观察、分析与计算，特在本文里指出高温设备裙座设计验算式需修正的观点，并提出了焦碳塔多缺口裙座柔性结构对接焊缝强度及稳定性校核修正公式，最后通过举例验算，提出如何预防焦碳塔裙座开裂的思路。2 焦碳塔裙座柔性结

3、构的基本形式2.1 常见设计中裙座形式与问题 焦碳塔直径通常较大，以80×104吨/年延迟焦化装置为例，其直径通常达到6000以上，其封头有时采用如图一所示的数块瓣片拼焊而成。在通常情况下，拼焊而成的封头充作焦碳塔类设备底封头时，为避免封头与裙座对接的焊缝与封头上各径向焊缝相交形成“丁”字焊缝，按JB4710-92第5.4条规定：塔壳下封头由多块板拼接制成时，拼接焊缝处的裙座壳应开缺口（缺口型式及尺寸参见图二和表1）。 图二这样的结构在现场实际表明，尽管焊缝“丁”字口开有缺口，但其结果无论是对筒体约束情况的改善，还是预防裙座焊缝裂纹，所起到的效果并不十分明显。2.2新型柔性结构形式现

4、设计采用的裙座柔性结构的基本形式如图三，即在裙座数块瓣片拼焊处原有开口的基础上，改进开口形式与增加开口数量，并在两个开口间新加两条窄型长条槽口。新型裙座柔性结构开槽口后增加了变形能力，见图四，其思路是通过裙座变形的增加（变形部分曲率半径由到，约束点下移）来减少焊缝对裙座的约束应力，具体效果有待计算分析与实践验证。 图一 表1 裙座与封头焊缝处开缺口尺寸 mm封头厚度n20262832宽度W120140缺口半径R6070 W R 图二 封头与裙座焊封处开槽形式 h x x y y W/2 L H K 0 0 图三 裙座柔性结构图图四3 关于常见塔裙座设计中有关对接焊缝应力及稳定性校核公式31对接

5、焊缝拉应力校核公式常见塔的裙座与封头对接焊缝横截面形状为如图五所示的环，该环内直径即裙座顶截面的内直径Dit，其外直径即裙座顶截面的外直径Dot，环宽即裙座壳设定的有效厚度es。显然，此环对任一对称轴的惯性矩J为J=(DOt4_Dit4) /64 （1）进而，有J=(DOt2+Dit2)(DOt+Dit)(DOt-Dit) /64 （1）由于 Dot-Dit=2e s 又esDit 图五故式（1）可简化为JDOt3es /8 （2）又令Mmax表示对接焊缝处的最大弯矩，则其引起的最大拉应力为 Mmax* Dit/2 4Mmax拉= = (3） J Dit2es 进一步地，Dites可近似表为环

6、面积Ax-x，又mx-xog-Fx-xV为自重与地震弯矩载荷作用于环截面上的压力，于是，最终作用于环截面上的最大拉应力为 4Mmax mog­Fv ­ （4） Dit2es Dites 其中 4Mmax mog­Fv 为弯矩引起的轴向应力, 为操作时重力及地震力引起的 Dit2es Dites 轴向力 ,FV仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。 按JB4710-92，裙座对接焊缝强度按最大拉应力计算，从而我们可得到对接焊缝截面处的拉应力校核式为： 4Mmax mog-Fv ­ 0.6K t (5) Dit2es Dites 此式亦即JB4710-9

7、2中（6-86）式。32裙座对接焊缝部位稳定性校核公式 同样，根据3.1节分析，按JB4710-92，裙座稳定性可按压应力进行校核，校核公式为JB4710-92中（6-56）和（6-57），如按图五结构可得到校核公式为： Mmax*Dit/2 mog­Fv KB + (6) J A K t 0.3Mmax* Dit/2 mmaxg­Fv KB + （7） J A 0.9Ks式(6)为操作状态下应力校核算式，式（7）为水压试验时（立试）引起的轴向应力校核算式。4 焦碳塔裙座柔性结构强度与稳定性校核计算式的修正从前面（5）、（6）、（7）校核计算式可以看出，列出的应力项是一次应

8、力的组合，它不计设备运行时产生的二次应力影响，其结果仅从许用应力值上作了要求，这对一般塔器设备或二次应力可以忽略的设备来讲具有适用性。但对如 图六高温操作的焦碳塔裙座来说，再用常规校核计算式来校核，应该说不够合理，因为在实际操作中，焦碳塔裙座对接焊缝承受高温差应力限制，所开槽口处同样受高温差应力的作用，而且温度差引起的应力影响十分明显(见后面校核计算)。因此，就焦碳塔裙座而言，其裙座对接焊缝的强度计算式与开槽口的稳定性校核计算式有必要考虑操作情况，计入温差二次应力项来进行校核式修正。 通过对焦碳塔操作情况分析，我们不难发现，焦碳塔体的径向与轴向实际操作过程中均存在一定温差，它是一个二维不均匀温

9、度场，而对裙座来说，在裙座底部到与塔体对接焊缝部位，也是一个二维不均匀温度场。为此，考虑裙座对接焊缝与开槽口部位温度都由塔外壁传导而来，并考虑同一平面层内外表面温差予以忽略，即可不考虑径向温度产生的热应力，则裙座轴向上传导过程存在温差而形成的实际温差应力可引入木正修二的热应力与热疲劳一文中的计算式，即： 43（1-2）RET热=± （8 ） 4（1-）L0 式中为泊松比，为线膨胀系数，E为弹性模量，为裙座厚度, R为裙座半径, L0为图三中x-x截面与0-0截面间间距(取值为2米); T为图三中x-x截面与0-0截面间温差，公式中加号为裙座外壁、减号为裙座内壁。经以上分析，结合（5）

10、式，在考虑温度应力影响下焦碳塔裙座柔性结构x-x截面对接焊缝强度校核计算式应修正为： Mmax* Dit/2 mogFv 43（1-2）RET ­ + 0.6K t ( 9 ) Jx-x Ax-x 4（1-）L0结合（6）、（7）式，考虑开口、开槽削弱，裙座柔性结构部位稳定性校核可按截面y-y 处按压应力校核公式来进行修正，计算式为: Mmaxy-y*Dit/2 moy-yg­Fvy-y 43（1-2）RET KB + + ( 10 ) Jy-y Ay-y 4（1-）L0 K t 0.3Mmaxy-y*Dit/2 mmaxy-yg­Fvy-y KB + （10）

11、J y-y Ay-y 0.9Ks5 裙座柔性结构部位拉应力与稳定性校核算例51拉应力校核公式为方便起见，本文以裙座端部按图三结构开16个宽度为W=100mm的缺口（沿圆周均布）,以及相应32个宽度为10mm的长条槽口为模式，提出拉应力校核计算公式。首先分析图三中裙座上开口、开槽处截面x-x和最小截面部位y-y，如图七、图八，因塔体直径远较开口和槽口尺寸大，因此工程上可以不计缺口和槽口弦长和弧长以及内圆弧长和相应外圆弧长的差别，这样，利用对称性可以来计算出x-x、y-y截面环对对称轴的惯性矩。当环没有缺口和槽口时，其对中性轴的惯性矩为Dit3es/8，若计算出带缺口和槽口部分对中性轴的惯性矩J缺

12、和J槽,就可以求出有16个缺口的环对中性轴的总惯性矩Jx-x以及有16个缺口与32个槽口的环对中性轴的总惯性矩Jy-y，即y-y截面环对对称轴的惯性矩Jy-y有Jy-y= Dit3es/8 - J缺 - J槽 ( 11 )JX-X= Dit3es/8 - J缺 ( 12 )根据对称性第一象限内缺口部分对中性轴的惯性矩，即1/4 J缺=0/2(Dites /2d)( Ditsin/2)2 +a1a2 (Dites /2d)( Ditsin/2)2 + a3a4 (Dites /2d)( Ditsin/2)2+a5a6 (Dites /2d)( Ditsin/2)2+ /2（/2-/2）(Dite

13、s /2d)( Ditsin/2)2 (13) 图七 图八 式中： 弧长W所对应的圆心角(rad) =2*W/Dit=2*140/6000=0.0466(rad)a1=/8-/2 a2=/8+/2a3=/4-/2 a4=/4+/2 a5=3/8-/2 a6=3/8+/2 进而，有0a/2(Dites /2d)( Dit/2sin)2 =1/32 Dit3es (-sin) (14)a1a2(Dites /2d)( Dit/2sin)2 =1/32 Dit3es 2-sin(/4+)+sin(/4-) (15) a3a4(Dites /2d)( Dit/2sin)2 =1/32 Dit3es 2

14、-sin(/2+)+sin(/2-) (16)a5a6(Dites /2d)( Dit/2sin)2 =1/32 Dit3es 2-sin(3/4+)+sin(3/4-) (17)/2（/2-/2）(Dites /2d)( Dit/2sin)2 =1/32 Dit3es+sin(-) (18)计算使（14）至（18），将结果代入式（13），得到 1/4 J缺= 0.3742*Dit3es/32于是,有J缺=0.3742Dit3es /8=0.12Dit3es /8 （19）将式（19）代入（12）式，得 Jx-x= Dit3es/8 - J缺=0.88Dit3es /8 （20）同样地 1/4

15、J槽=12(Dites /2d)( Dit/2sin)2 +34(Dites /2d)( Dit/2sin)2 + 56(Dites /2d)( Dit/2sin)2 +78(Dites /2d)( Dit/2sin)2 + 910(Dites /2d)( Dit/2sin)2 +1112(Dites /2d)( Dit/2sin)2 + 1314(Dites /2d)( Dit/2sin)2 +1516(Dites /2d)( Dit/2sin)2 （21）式中开槽口弧长K所对应的圆心角(rad) =2K/Dit=2*10/6000=0.0033(rad)1 =/24-/2 2=/24+/2

16、3 =/12-/2 4=/12+/25 =/6-/2 6=/6+/27 =5/24-/2 8=5/24+/29 =7/24-/2 10=7/24+/211 =/3-/2 12=/3+/213 =5/12-/2 14=5/12+/215 =11/12-/2 16=11/12+/212(Dites /2d)( Dit/2sin)2 = 1/32 Dit3es 2-sin(/24+)+sin(/24-) （22） 34(Dites /2d)( Dit/2sin)2 = 1/32 Dit3es 2-sin(/12+)+sin(/12-) （23）56(Dites /2d)( Dit/2sin)2 =

17、1/32 Dit3es 2-sin(/6+)+sin(/6-) （24）78(Dites /2d)( Dit/2sin)2 = 1/32 Dit3es 2-sin(5/24+)+sin(5/24-) （25）910(Dites /2d)( Dit/2sin)2 = 1/32 Dit3es 2-sin(7/24+)+sin(7/24-) （26）1112(Dites /2d)( Dit/2sin)2 = 1/32 Dit3es 2-sin(/3+)+sin(/3-) （27）1314(Dites /2d)( Dit/2sin)2 = 1/32 Dit3es 2-sin(5/12+)+sin(5/

18、12-) （28）1516(Dites /2d)( Dit/2sin)2 = 1/32 Dit3es 2-sin(11/12+)+sin(11/12- ) （29）计算（22）至（29）式，将结果代入（21），可得到 J槽 = 0.0265 Dit3es/8 = 0.0084Dit3es/8 （30）最终将（19）式J缺、（30）式J槽代入（11）式，得 Jy-y= Dit3es/8 - J缺 - J槽 =Dit3es/8 - 0.12Dit3es /8 -0.0084 Dit3es/8 = 0.8716Dit3es/8 （31） 计算有16个缺口的裙座环面积Ax-x为（Dit-16W）es，

19、计算有16个缺口和32个槽口的裙座环面积Ay-y为（Dit-16W-32W）es，把Jx-x和Ax-x计算值代入（9）式，从而，我们得到x-x截面对接焊缝拉应力校核式 4Mmaxx-x m0x-xg-Fvx-x 43（1-2）RET + 0.6Kt 0.88Dit2es (Dit-16W)es 4（1-）L0 (32)52稳定性应力校核公式 同5.1分析,考虑裙座开口削弱，稳定性按图三拟以y-y截面来校核，因对接焊缝与开有缺口和槽口截面y-y处十分接近，弯矩Mmaxy-y可视为Mmaxx-x，moy-y可视为mox-x，将Jy-y和Ay-y代入（10）、（10）式，在考虑温度应力影响下，裙座y

20、-y截面稳定性验算校核公式成为： 4Mmaxy-y moy-yg- Fvy-y 43（1-2）RET KB + + 0.8716Dit2es （Dit-16W-32W）es 4（1-）L0 Kt （ 33 ） 0.3Mmaxy-y mmaxy-y­Fvy-y KB + ( 34 ) 0.8716Dit2es （Dit-16W-32W）es 0.9Ks 6举例计算如图七所示，已知焦碳塔规格为6000×31000mm，上段筒体为26mm，下段筒体为34mm，主体材质为20R，裙座材质为Q235-A。焦碳塔重量为143450Kg。容积710M3，设置地区的基本风压值q0=647N

21、/m2；地震设防烈度为7度；塔内介质密度1000kg/m3,充装量为70%;塔壳外表面保温层150mm，保温材料密度300kg/m3；设计压力0.353MPa；设计温度4950C（底），4400C（顶）；裙座厚度26mm，裙座高2.25m。本计算设定不计Fvx-x。6.1校核计算的已知条件求算：焦碳塔重量m1=143450KG保温重量m2=（6.3682-6.0682）/4*26.25*300=23063K g操作时塔内物料重量m3= 70%*710*1000=497000Kg操作状态下y-y截面以上总质量m0y-y=m1+m2+m3=663513Kgmmax y-y= m1+m2+710*1

22、000=143450+23063+710000=876513KgDit=6000mmes=26mm裙座开口宽度W=100mm裙座开槽宽度W=10mm泊松比=0.30塔半径R= Dit/2=3000mm材料弹性模量E=1.43X105 MPa材料线涨系数=13X10-6mm/mm.x-x截面、y-y截面与裙座底部截面间距L0长度间温差取T=450L0=2000mm材料工作温度下许用应力450 =60.8 MPa ，420 =86 MPa将焦碳塔分成数段，按JB4710-92（6-23）式计算风弯矩，可得Mmax y-y =3.18*109N.mm系数K=1.2B值按GB150-1998，6确定，

23、由L/ Dit =0.375，Dit /es =167，查GB150-1998图6-2得系数A=0.0011,再查图6-3得系数B=55 MPaKB=1.2*55=66 MPa 取值66 MPaKt=1.2*86=103.2 MPaKB=1.2*55=66 MPa 取值66 MPa0.9Ks=0.9*1.2*235=253.8 MPaDit2es=3.14*60002*26=2.94×109 mm3（Dit-16k-32K）es=(3.14*6000-16*140-32*10)*26=439920 mm26.2柔性裙座对接焊缝强度校核 根据JB4710-92,对图三截面x-x强度校核

24、按拉压应力进行，根据实际操作要求，设计应计入温差应力，T取450，按(32) 式校核计算，即： 4Mmaxy-y m0y-yg 43（1-2）RET + 0.6Kt 0.8716Dit2es (Dit-16W）es 4（1-）L0 4Mmaxy-y m0y-yg 43（1-2）ResET + 0.8716Dit2es （Dit-16W）es 4（1-）L0 4*3.18*109 663513*9.8 43*(1-0.32)*3000*26*14.3*10413*10-6*450= ­ + 0.8716*2.94*109 (3.14*6000-16*100)*26 4*(1-0.3)*

25、2000=4.97-14.51+45.60=36.06 MPa<0.6*1.2*60.8= 43.8 MPa对接焊缝强度校核通过。6.3柔性裙座稳定性校核对式（33）校核，有：4Mmaxy-y m0y-yg 43（1-2）RET + + 0.8716Dit2es （Dit-16W-32W）es 4（1-）L0 4*3.18*109 663513*9.8 43（1-0.32）3000*26*14.3*104*13*10-6*450= + + 0.8716*2.94 *109 439920 4（1-0.3）2000 =5.01+14.78+42.56=65.39<KB=1.2*55=6

26、6MPa （应力项计算已非常接近许用值，值得关注）对式（34）校核 0.3Mmaxy-y mmaxy-yg + 0.8716Dit2es (Dit-16W-32W）es 0.3*3.18*109 876513*9.8= + = 0.37+ 0.8716*2.94 X109 (3.14*6000-16*140-32*10)*26 KB=1.2*55=66 MPa =19.89 Mpa < 09Ks =0.9*1.2*235=253.8 MPa即y-y截面稳定性校核通过。7讨论（1）、焦碳塔设备因工艺操作客观条件限定，存在温度交变，在实际操作中，温度交变下还存在温差的影响，因此该设备裙座对接

27、焊缝处存在复杂的交变应力、温差应力、焊缝约束应力，为此，在设备设计时有必要充分考虑该处各种应力的影响，对焊缝的强度与稳定性应进行必要的有效校核，对高温且交变的焦碳塔设计而言，如按JB4710-92设计标准，则其校核计算式需进行修正。（2）、焦碳塔裙座对接焊缝处应力复杂，通常需要有辅助的设计改进来降低交变应力幅和温差应力值。如其裙座与封头间设置保温气囊，完善裙座的保温，增加拌热结构等。（3）、一些新设计中焦碳塔裙座改柔性结构型式，是一种新思路，但按笔者在本文所述缺口和槽口的形式和数量来看，对防裙座焊缝开裂影响不大；如确需通过类似形式来增加柔性，从而达到缓裂效果，建议由设计部门对所开缺口和开槽口的数量、部位、形式进行优选，具体工作可与企业、科研部门合作攻关。（4）、裙座受热影响而产生的热应力很复杂，建议通过现场布设热电偶来